利用氧化还原敏感的壳交联反应制备能控制释放纳米粒子的活性生物药剂.doc

1、用不同颜色标注的是整片论文中用到的比较多的简写利用氧化还原敏感的壳交联反应制备能控制释放纳米粒子的活性生物药剂Guohua Jiang，Yin Wang，Rui Zhang，Rijing Wang，Xiaohong Wang，Ming Zhang，Xinke Sun，Shiyong Bao，Tao Wang，Sheng Wang高等纺织材料和制造技术重点实验室(教育部)，浙江科技大学,杭州 310018,中国材料工程系，材料与纺织学院，浙江科技大学，杭州 310018，中国材料与技术部，材料与纺织学院，浙江科技大学，杭州 310018，中国支持信息：摘要：氧化还原敏感的壳交联(SCL)聚2-(

2、二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯-b-聚苯乙烯嵌段(PDMAEMA-b-ps)纳米粒子已经可用无表面活性剂可逆加成断裂链转移聚合的两亲性 C12H25-PDMAEMA(聚甲基丙烯酸 N,N-二甲氨基乙酯)共聚物作为稳定剂来制备。核磁共振( 1HNMR)，动态光散射(DLS)，和透射电子显微镜(TEM)进行调查的组合物和所得到的纳米粒子的外貌如图然后，用所制备的纳米粒子作为载体做成胶囊的疏水性药物的释放可以通过氧化还原剂二硫苏糖醇(DTT)触发。壳交联(SCL )纳米颗粒具有良好的生物相容性。这些特性表明，这些纳米粒子作为药物载体很有前途。最近几年已经有相当多的关于壳交联(SCL)的合成与具有环境敏

3、感特性的纳米粒子研究，并且成为人们关注的焦点 1-6。到目前为止，已经开发了几种制备壳交联(SCL )纳米粒子的方法，如与双官能交联剂 7-9的紫外线辐射 10,11等反应。在制造过程中一个重要的考虑因素是这样的多步交联过程是繁琐和昂贵的。因此，我们迫切的需要一种能利用一锅法来制备壳交联(SCL)纳米颗粒制剂的方法。目前，(逆) 细乳液聚合法结合可控自由基聚合(CRP) 技术已被广泛用作于精确构建纳米载体 12-17的一个强大的工具。然而，一个缺点是目标载体被污染的表面活性剂浓度相对较低，但幸运的是，无表面活性剂(SFE)可逆加成断裂链转移乳液(RAFT)-聚合(SFE-RAFT)，在原则上，

4、可以在一定程度上解决这些缺点。基于这种有胶乳的合成方法有许多例子，例如无表面活性剂可逆加成断裂链转移乳液-聚合(SFE-RAFT)已经间接的用于制备共聚的苯乙烯 18-21，甲基丙烯酸正丁酯 22，丙烯酸正丁酯 23，甲基丙烯酸甲酯 24。然而，这些例子都强调对聚合反应动力学和形态控制。最重要的是，大多数这些纳米载体不能被特定的刺激切割，这将阻碍工程中的实际应用。我们以前的研究表明，二硫苏糖醇(DTT)这种氧化还原剂的存在下，双-(丙烯酰氧乙基)二硫化物(BAEDS)是一种氧化还原敏感和可切割的交联剂。因此，如果将这类交联剂引入到目标纳米粒子内，就可以对药物的释放速率起到有效调节作用。此外，据

5、我们所知，还没有一个被无表面活性剂可逆加成断裂链转移乳液-聚合(SFE-RAFT)及其在药物控释系统中的应用制备的氧化还原敏感的纳米粒子(SCL)的报告。在目前的工作中，氧化还原敏感的纳米粒子(SCL): 聚2-( 二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯-b-聚苯乙烯嵌段(PDMAEMA-b-ps) 和吲哚美辛胶囊(PDMAEMA-b-ps)纳米粒子已经以 C12H25-PDMAEMA 共聚物为稳定剂，由 SFE-RAFT 系统制备成功。然后，又对吲哚美辛（IND）在不同 pH 值条件下的释放反应及其生物相容性进行了研究。我们以往的研究表明， （逆）细乳液聚合法结合无表面活性剂(RAFT) 聚合可应用于

6、制备 SCL 纳米粒子 14-16。然而，所制备的纳米载体可以被表面活性剂污染。此外，纳米颗粒的直径可以通过交联剂用在乳液体系中的量来控制。当交联剂的含量超过 0.2mmol 时，所制备的纳米粒子的粒径会大于 200 nm（支持信息，图 S1） ，这是增强的渗透和滞留（ EPR）的阈值效应 25,26。因此，在这项工作中，用 SFE-RAFT 法制备 SCL 纳米粒子时将 双-(丙烯酰氧乙基)二硫化物(BAEDS)的量设定为 0.1mmol。预期最终的纳米颗粒将包含聚甲基丙烯酸 N,N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)外壳，交联聚苯乙烯(PS) 中间壳和 C12H25 内芯三个不同的区域。 制造

7、 SCL 纳米粒子的示意图是方案 1。方案 1：图 1 显示 C12H25-PDMAEMA (A)，PDMAEMA-b-ps（B） ，和 SCL 纳米粒子（C）在 氘代氯仿（CDCl 3）中的核磁共振谱图图 1：在 = 1.82 和 0.90 ppm 峰是由亚甲基和甲基团(S-CH 2-C-CH3)产生的。同时，在= 4.06 和 2.56 ppm 质子峰则由亚甲基团（CH 2-CH2N)产生。在 = 2.28 PPM信号是连接的氮甲基质子峰(N-CH 3）产生的，这表明 C12H25PDMAEMA共聚物已成功地合成了(图 1: A)。在共聚物 C12H25-PDMAEMA 的存在下通过 SF

8、E-RAFT 制备了 PDMAEMA-b-ps 纳米粒子。由于 PDMAEMA-b-PS 可以溶解在氘代氯仿中，所以 PDMAEMA 块和 PS 块的特征信号峰都在(图 1: B)中显示。比较(图 1: A)，由于 PDMAEMA 峰值强度有明显降低。此外，它揭示了在=6.29 6.74 和 =6.877.21 ppm 有新的峰的存在，这是由于 PS 块与C12H25PDMAEMA 成功的进行扩链反应。在 SCL 成功反应之后，与 PS 块相关的流动性分子被交联的壳几乎看不见特征峰，而 PDMAEMA 块可以检测出仍然是很好的一种溶剂。如果壳交联是不成功的，那么将有希望从氘代氯仿（CDCl 3

9、）解离成单个的共聚物链而成为 PDMAEMA 和 PS 的良好溶剂，而且特征峰都可以被观察到。以上结果清楚地证实，PDMAEMA-b-ps 已被(BAEDS)成功地固定并形成 SCL 纳米粒子（图 1：C）然后，通过透射电子显微镜（TEM）技术研究了纳米粒子的形貌，发现所得到的样品为具有明确的核心壳结构的球形纳米颗粒。如果 PDMAEMA-b-ps，大小约为 194 nm，那么壳的厚度大约为 33 纳米（图 2：A ，B） 。作为 SCL纳米粒子，直径和壳的厚度将减少到 95 和 10 nm 处，分别为（图 2：C，D ） 图 2根据报道，纳米粒子能广泛参与药物传递和控制释放系统 27-30。

10、而客体分子的释放速率可以通过调节其交联壳或芯来实现 31,32。为了这个目的，用BAEDS 作为交联剂，因为在还原剂存在下二硫键可以被切割成相应的硫醇，如三（正丁基）膦（Bu 3P） 33，二硫苏糖醇（DTT） 12,15,34，和谷胱甘肽 35。在DMF 中可以很容易的跟踪 SCL 纳米粒子微量降解过程，如果二硫键被 DTT 裂解，则胶体溶液会变成透明状态。在我们的例子中，一段时间后的胶体溶液变成透明的，表明 SCL 纳米粒子已经被 DTT 裂解成单个的共聚物链。 （支持信息，图 S5）这几页没有看到图 S5采用 MTT(细胞存活率分析法 )对 HeLa 细胞(海拉细胞人类宫颈癌细胞)在SC

11、L 纳米粒子 体外细胞毒性进行评价。如图 3 所示，当所测试的浓度低于 25g /ml1时我们观察到 HeLa 细胞的存活率均为 100%左右，这表明 SCL 纳米粒子毒性低且与细胞的相容性好。图 3根据我们以往的研究，SCL PDMAEMA-b-ps 纳米粒子具有一种内在的荧光性质不需要做任何荧光标记处理，这将简化的纳米载体的制备过程和体内实验14。因此，这些 SCL 纳米粒子可以直接作为体内的药物载体。到目前为止，已经报道了各种类别的 SCL 纳米颗粒，然而，只有少数的研究与药物的释放反应有关 4,36-38。如上文所讨论的那样，DTT 可以裂解二硫基团，因此可以预期能够触发客体分子的释放

12、。然后，将作为疏水性药物模型的吲哚美辛（IND）封装在纳米粒子内。用 DLS 和 TEM 对含有的 SCL 纳米粒子进行了表征。结果显示，封装了吲哚美辛(IND)的 SCL 纳米粒子的直径大于纯 SCL 纳米粒子。 （支持信息，S6 和 S7 数据） 这几页没有看到图 S6，S7为了证明药物的释放速率可以被 DTT 触发，所以在恒温 37的磷酸盐缓冲液(PBS)中测定是否含有 10mL DTT 两种情况下的 SCL 纳米粒子的药物释放曲线。从图 4 可以看出， ，在含有 DTT 的 PBS 溶液中 吲哚美辛(IND) 的释放速率更快。此外，pH 越高，释放速率的快。更具体地说，在 pH 为 4

13、.5 时，在含有10mL DTT 的情况下 48 小时后已经约有 30% 释放，而没有 DTT 的情况下只释放了约 9% IND。这个现象在 pH 值提高到 6.5 和 7.4 时依然存在。在 pH 为 7.4时进行实验时，在含有 10mL DTT 的情况下 48 小时后已经约有 72% 释放，而没有 DTT 的情况下只释放了约 10% IND。图 4：PBS 缓冲液的 pH 值为 5.4(a)，6.5 (b)，和 7.4(c)，分别为。IND 的化学结构也显示在 d这些结果表明，SCL 纳米粒子可以作为控制释放疏水性客体分子的载体。此外，这些有趣的现象可以归结为以下原因：(i)DTT 可引起

14、 SCL 纳米粒子的分裂，因此，从核心到外部环境的 PBS 缓冲液都能使 IND 扩散更加容易。(ii)我们先前的研究已经表明，PDMAEMA 是纳米粒子中的 pH 敏感部分。此外，在酸性条件下纳米粒子的直径大于在中性和碱性条件 39下纳米粒子。当 pH 值低于 7，PDMAEMA 完全电离，所以 PDMAEMA 链因电动斥力而充分伸展到PBS 缓冲液中。换句话说由于扩散距离长 IND 将很难从聚合物结构中扩散出来。而当 pH 值达到 7.4 时，由于去质子化效应的影响降低了链伸展的程度。这将对纳米粒子的核心产生应力，导致核心变形诱导药物泄漏而使药物释放加速 30,39-41。(iii) 此外

15、，当缓冲液的 pH 值超过 7 时，由于羧基的存在 IND 将有一个更好的可溶性状态，导致药物的扩散速率加快 42。该释放机理在方案 2 中所示方案 2：总之，首次用一锅法 SFE-RAFT 聚合成功地合成了一系列的 SCL PDMAEMA-b-ps纳米粒子。所制备的纳米粒子的粒径为 177 nm，可作为封装 IND 等疏水性成分的载体。用这些 SCL 纳米粒子可以容易的控制封装药物的释放速率。这些纳米粒子具有良好的相容性，使他们拥有作为纳米药物载的体前途。相关内容：支持信息：SCL 纳米粒子合成的实验方法，以及相关的数据和表格。这种材料是通过互联网http:/pubs.acs.org。免费获

16、得的作者信息：通讯作者：Tel.: +86 571 86843527. E-mail address: polymer_ (G. Jiang) 笔记：作者宣称没有竞争的金融利益致谢：这项工作是由中国国家自然科学基金资助项目（20604024，50802088） ，浙江省自然科学基金（y4100045，y4080392，r210101054 ） ，钱江人才工程浙江省（2010r10023 ） ，为留学回国人员科研基金，国家教育部（1001603-c） ，培训基金优秀青年人才的重点实验室先进纺织材料与制造技术(ATMT)，教育部（2011qn04） ，并在大学长江学者和创新团队项目（资助：0654

17、）钱学森感谢浙江省研究生创新项目技术大学通过发放 ycx-s11006，我们非常感谢 qingye 的三维绘图和王丽娜的 TEM 测量。参考文献：(1) Jiang, X. Z.; Liu, S. Y.; Narain, R. Langmuir 2009, 25, 1334413350.(2) Li, L. Y.; He, W. D.; Li, J.; Zhang, B. Y.; Pan, T. T.; Sun, X. L.;Ding, Z. L. Biomacromolecules 2010, 12, 18821890.(3) Wang, Y. C.; Li, Y.; Sun, T. M.;

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